【《柱下条形基础设计案例》7000字】

柱下条形基础设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21051柱下条形基础设计案例 1133621.1柱下条形基础的构造要求 2218431.2选择基础材料 4309271.3基础埋置深度的选择 497161.1.1确定浅基础埋深的基本原则 449071.1.2选择埋深的意义 5315531.1.3基础最小埋置深度综合考虑因素 5191391.1.4初步确定埋置深度 6164131.4地基承载力 77331.4.1确定地基承载力的要求 899551.4.2确定地基承载力的方法 8143141.4.3初步确定地基承载力特征值 1019791.5经过深宽修正后的地基承载力特征值 10248401.6按地基持力层承载力计算基础底面尺寸 12180691.6.1基础上的荷载 1378131.6.2中心荷载作用下基础底面尺寸的确定 1497541.7验算软弱下卧层地基承载力 1796251.8基础梁的内力计算 22222941.8.1确定地基模型 22205091.8.2求解基底净反力 27222011.8.3基础梁的内力计算方法 2860161.8.4按倒梁法计算内力 29149181.8.5弯矩计算 30148021.8.6剪力计算 341.1柱下条形基础的构造要求柱下条形基础通常采用倒T形截面，由肋梁和翼板组成。如下图2所示：(a)(b)图2柱下条形基础(a)平面图;(b)横剖面图(1)当柱垂直于肋梁轴线方向的截面边长大于400mm时，可仅在柱位处将肋部加宽，如图3所示。(a)(b)图3现浇柱与肋梁的平面连接和构造配筋(单位:mm)(a)肋宽不变化；(b)肋宽变化(2)现浇柱下条型基础可沿纵向取同一截面，如果分体式截面的横向长度较大，应在分体式位置加大肋，以便与基础梁连接的平面尺寸不小于图4所示。图4现浇柱与条形基础梁交接处平面尺寸(单位:mm)(3)条形基础梁顶部和底部的纵向受力钢筋除满足计算要求外，顶部钢筋应按计算配筋全部贯通，底部通长钢筋不应小于底部受力钢筋截面面积的1/3[5]。1.2选择基础材料垫层采用C10强度的素混凝土，厚度取100mm。基础采用C30强度的混凝土，钢筋采用二级钢筋HRB335。垫层的作用：(1)提高地基承载力(2)减少地基沉降量(3)防止冻胀1.3基础埋置深度的选择基础埋置深度(埋深)：一般是指基础底面至室外设计地面的深度[6]。基础埋深的选择是基础设计的重要组成部分，它与基础方案的优缺点、施工难度和造价有关。1.1.1确定浅基础埋深的基本原则1、保证安全可靠、稳定的前提下，基础尽量浅浅地埋；2、埋置深度一般不小于50cm；3、基础顶面与设计场地之间的距离应大于10cm，应尽量避免地基暴露，避免外部侵蚀和破坏。1.1.2选择埋深的意义选择埋深的实质：选择合适的持力层需保证以下四点：(1)地基的可靠性（强度、变形要求）(2)基础的稳定性（抗倾覆、滑动和侵蚀要求）(3)施工的难易性（埋深大施工难，反之则易）(4)造价的经济性（埋深大造价高，反之则低）1.1.3基础最小埋置深度综合考虑因素1、建筑物用途、结构类型、荷载性质和大小(先决条件)该建筑物为图书馆，主要用于收藏图书资料以及供学生日常阅览学习。结构类型为全现浇框架结构。由于楼层高，荷载较大。2、工程地质条件为了满足建筑物对地基变形的要求，基础应尽可能埋置在良好的持力层上。该图书馆拟建选址土层属于粉土。3、水文地质条件尽量埋在地下水位以上，该拟建选址地下水位较深，不存在埋置地下水位以下的可能性。4、地基冻融条件该地理区域位于关中平原，几乎不会发生冻胀，可不考虑土体冻融的情况。5、场地环境条件（相邻建筑物基础埋深的影响）该图书馆相邻建筑物有学生餐厅、教职工宿舍楼。经大致核算，新旧相邻建筑之间的距离采用柱下条形基础可以满足要求。1.1.4初步确定埋置深度天然地基上的浅基础一般指基础埋置深度小于5m，或者基础埋深大于5m但小于基础宽度的基础。由于本设计采用的柱下条形基础属于浅基础，综合考虑多种因素，根据当地经验法初步预估确定埋置深度d=1.5m。埋置深度示意图、地基与基础示意图如下图所示。图5埋置深度示意图图6地基与基础示意图1.4地基承载力任何建筑物都建造在一定的地层上，通常把直接承受建筑物荷载的那一部分地层称为地基(或指建筑物下面支撑基础的土体或岩体)。承受建筑荷载后，地基的内力将发生变化。一方面，附加应力引起地基土体变形，导致建筑物沉降；另一方面，会增加地基土的剪应力。地基承载力是指单位面积地基土的承载力，以kPa为单位。一般来说，它可以分为两种承载力：一种称为极限承载力；另一种称为地基承载力特征值。因此，要求在地基上施加的工程设计荷载应小于地基承载力的特征值。1.4.1确定地基承载力的要求建筑物荷载通过基础作用于地基,对地基提出两个方面的要求:(1)变形要求建筑物基础在荷载作用下产生最大沉降量或沉降差，应该在该建筑物所允许的范围内(即s≤［s］)。因为过大的地基沉降会影响上部结构的正常使用，而不均匀沉降则可能导致上部结构的开裂、损伤、甚至破坏。(2)稳定要求建筑物的基底压力，应该在地基所允许的承载能力之内。1.4.2确定地基承载力的方法(1)原位试验法（载荷试验法），即根据现场荷载试验的p-s曲线确定。(2)理论公式法，即按地基承载力理论公式计算。确定临塑荷载pcr、极限荷载根据地基极限承载力计算地基承载力特征值：f式中puK——其值与地基基础设计等级、荷载性质等有关，对长期承载力一般取K为2～3。该图书馆基础设计K取2。除可按上式计算地基承载力特征值外，还可以采用地基临塑荷载pcr、地基临界荷载p(3)当地经验法(类比经验法)即结合本地区的工程实践经验来综合确定。1.4.3初步确定地基承载力特征值本设计采用当地经验法，基础层和持力层均为粉土，初步确定地基持力层承载力特征值fa=170kPa。软弱下卧层承载力特征值其中直接与基底相接触的土层(或直接支承基础的土层)称为持力层。位于持力层之下，在地基受力范围以内，且承载力容许值小于持力层承载力容许值的土层称为软弱下卧层。1.5经过深宽修正后的地基承载力特征值当基础宽度大于3m或埋深大于0.5m时,由载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值应按下式进行修正：fγ与γm区别：图7γ与γm表2地基承载力修正系数表查表得：ηb取0.3、ηd取1.5、γm取17f=170+0+1.5×17×(1.5-0.5)=246.5kPa1.6按地基持力层承载力计算基础底面尺寸在初步选择基础类型和埋深后，就可以根据持力层承载力计算基础底面尺寸。如果持力层较薄且其下存在着承载力显著低于持力层的下卧层，还需对软弱下卧层进行承载力验算。根据地基承载力确定基础底面尺寸后,必要时还应对地基稳定性进行验算。1.6.1基础上的荷载上部结构物作用或传递到基础上的荷载包括轴向力N、水平力(剪力)T和力矩M，其组合形式可有下列四种情况，如图8所示。图8基础所受荷载情况轴向力N、水平力(剪力)T和力矩M都可能由静荷载和活荷载两部分组成。静荷载包括建筑物和基础的自重、固定设备的重量、土压力等。静荷载是长期作用在地基基础上的，是引起基础沉降的主要因素。活荷载又分为普通活荷载和特殊荷载(又称偶然荷载)。由于特殊荷载(例如地震作用、风力等)发生的机会不多，作用的时间很短，故沉降计算只考虑普通活荷载。但在进行地基的稳定性验算时，则要考虑特殊荷载。作用于基础底面上，地基对基础的支承力称为基底反力，基础对地基的压力则称为基底压力，它们为一对相互作用力，其大小及分布形式由上部荷载大小、形式和基础埋深及基础本身重量决定，并且受基础刚度和地基土的强度综合影响。在常规设计中，基底反力(基底压力)可简化按直线形式考虑。对于本拟建图书馆，由于为高度对称结构，所以上部荷载形式为图a中心竖向荷载，基底反力为均匀分布。地基剖面图如下图9所示：图9地基剖面图1.6.2中心荷载作用下基础底面尺寸的确定以下在确定基础底面尺寸的同时嵌套进行持力层承载力验算。如图10所示为在荷载效应标准组合的中心荷载Fk、Gk作用下的基础。Fk=850kN、Gk图10中心作用下的基础pkp式中A——基础底面积(m2)pkFk——上部结构传至基础顶面的竖向力(kN)Gk——近似取Gk=γGAd，在中心荷载作用下，按地基持力层承载力计算基础底面尺寸时，要求基础底面压力满足下式要求：p联立以上两式，可得基础底面积计算公式：FA≥AA≥对于柱下条形基础，可沿基础长边方向取1m作为计算单元，则其宽度为：b≥由于b大于3m，需要再对宽度进行修正。γ取17f=170+0.3×17×(5.5-3)+1.5×17×(1.5-0.5)≈260kPab≥b取4.5m，则初步确定l=12m(不含外伸长度)，b=4.5m。A=12m×4.5m=54m2＜60m2，符合面积大小。同时基础底面压力也满足条件，

p1.7验算软弱下卧层地基承载力保证地基在外荷载作用下不发生破坏，是地基最基本的要求，因此，无论上部结构为何种形式及地基土层情况如何,都必须进行承载力验算。地基是由持力层和下卧层组成的，由于附加应力随深度的增加而逐渐衰减，因此，通常只需作持力层的承载力验算。但当距基底不远处存在着承载力明显低于持力层的软弱下卧层时(此地基下卧层承载力特征值80kPa明星低于持力层承载力特征值170kPa)，传至软弱下卧层的附加应力有可能超过其承载力，此时需要验算软弱下卧层的承载力。地质土体的非均匀性、成层性是普遍现象。当局部地基的承重层内存在软弱下卧层(承载力明显低于高压缩性土层)时，为了保证安全，还必须检查根据承重层承载力计算的上述地基底部尺寸；要求软弱下卧层顶部附加压力和自重压力之和不应超过深度校正后软弱下卧层顶部地基承载力的特征值，即：p图11软弱下卧层示意图关于附加压力pz的计算，《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)综合了更多的试验研究成果，并参照双层地基中附加压力分布的理论解答，提出了以下简化方法：当持力层与下卧软弱土层的压缩模量比值Es1压力扩散现象指距荷载作用点越远地基中附加压力越小的现象。假设随着深度z的增加,荷载p0在按规律ztanθ扩大的面积上均匀分布，θ称为扩散角。如图12和图13所示，假设基底处的附加压力p0往下传递时按某一角度向外扩散分布于较大的面积上。根据基底与扩散面积上的总附加压力相等的条件，即：图12软弱下卧层顶面的总压应力图13附加应力简化计算图pp对于条形基础，仅考虑宽度方向的扩散，并沿基础纵向取单位长度作为计算单元，于是：p表3地基压力扩散角θ表下卧层承载力特征值计算：因软弱下卧层为粉质黏土层(e=0.88)，所以按地基承载力修正系数表查得：ηb=0软弱下卧层顶面以上土的平均重度为：γ经过深宽修正后的软弱下卧层承载力特征值：f=80+0+1.0×17×(1.5-0.5)=131kPa软弱下卧层顶面处的应力：自重压力：p软弱下卧层顶面的附加应力依应力扩散理论按式计算，由Ez/b=3/4.5=0.67，由于z/b＞0.5时θ值不变，查地基压力扩散角θ表得压力扩散角θ=23°。p作用在软弱下卧层顶面处的总应力为：p所以软弱下卧层地基承载力满足要求。1.8基础梁的内力计算1.8.1确定地基模型如果假定上部结构具有一定的刚度，则将其叠加在基础上，然后用总刚度来分析与地基的相互作用，得到基础反应的分布曲线。该曲线是考虑上部结构、基础和基础共同作用后的反应分布曲线。以上部结构和基础为整体，以反应分布曲线作为系统边界荷载与其它外部荷载相互作用的结果曲线，利用结构力学方法求解上部结构和地基的挠度和内力。相反，如果将反应分布曲线应用于地基，则可以利用土力学方法求解地基的变形。换言之，考虑上部结构与基础的相互作用，可以对结构的挠度和内力进行分析。关键问题是在考虑相互作用后，解决地基反应的分布问题。因为考虑到上部结构、基础、地基三者的共同作用，不难理解，求解地基的实际反力分布是一个很复杂的问题，真正的反力分布图受三者共同制约。其中，基础的挠曲取决于作用于其上的荷载(包括地基反力)和自身的刚度，地基表面的变形则取决于全部地面荷载(即基底反力)和土的性质。虽然共同作用的问题在原则上可以求解，但直至目前尚没有一种完善的方法能够对各类地基条件均给出满意的解答。因此，选择合适的地基模型尤为重要。地基模型是描述土在外力作用下的反应的数学表达式，是基础计算的重要依据，它不仅直接影响基础反力的分布和基础的沉降，同时也影响着内力的分布和基础结构以及上部结构的变形[8]。目前使用的地基模型主要是线性模型。常见的地基模型有文克勒(Winkler)地基模型、弹性半空间地基模型以及分层地基模型(有限压缩模型)。(1)文克尔地基模型是把地基视为在刚性基座上由一系列侧面无摩擦的土柱组成，并可以用一系列独立的(互不相干的)弹簧模拟。即地基上任一点所受的压力强度P与该点的地基沉降量s成正比(p=ks，其中k为基床系数)。根据这个假设，地基某点的沉降只与该点的作用力有关，而与作用于其他点上的压力无关。该模型具有不能扩散应力和变形的缺陷。如图14所示。图14文克尔地基模型与真实地基的比较(2)弹性半空间地基模型是将地基土视为均质、各向同性的弹性半空间体。这个假设不仅与该点的压力大小相关，而且与整个基底其他点的反力有关，克服了Winkler地基模型的主要缺点，比Winkler地基模型有所进步。如图15所示。图15弹性半空间地基模型图(3)分层地基模型(有限压缩模型)是根据土力学中应用分层总和法求解基础沉降的基本原理求解地基的变形，使其结果更符合实际。如图16所示。分层地基模型改进了弹性半空间地基模型中地基土体均质的假设，更符合工程实际情况(即更可靠)。但模型计算繁琐，计算量特别大，而且真实地基中的应力状态与分层总和法的假设也有一定的差距。图16分层地基模型计算原理示意图综合上述所有分析，拟采用弹性半空间地基模型。1.8.2求解基底净反力静定分析法是一种按线性分析基底净反力的简化计算方法，其适用前提是要求基础具有足够的相对抗弯刚度以及上部结构对于地基的差异变形不敏感。该拟建图书馆基础为柱下条形基础，基础自身刚度较大，基础梁可采用静定分析法进行计算，即按基底反力的直线分布假设(直线分布法)和整体静力平衡条件求出基底净反力。图17静定分析法计算简图图18简化计算法的基底反力分布设柱下条型基础两端均向外伸出1.5m(外伸长度不应小于0.25×4=1.0m)基础总长L=12+1.5×2=15m基底净反力可按下式简化计算：P式中PnFil——条形基础长度(m)。1.8.3基础梁的内力计算方法柱下条形基础在其纵、横两个方向均产生弯曲变形，故在这两个方向的截面内均存在剪力与弯矩。横向剪力与弯矩通常由翼板承担，纵向剪力与弯矩一般则由基础梁承担。柱下条形基础的常用简化计算方法主要有：弹性地基梁法、倒梁法、有限元法。1、弹性地基梁法即将该条形基础视为梁，其全长由一连续的弹性基础所承担，并采用文克尔假定，认为地基梁发生挠曲时，任一点处连续分布反力强度与该点的沉降成正比，以地基系数表示其间的关系，梁在各柱之间的各部分仅承受弹性地基的连续分布反力。(中国普遍采用的是将桩作为弹性地基上的梁)2、倒梁法这种方法将地基反力视作为基础梁(条形基础)上的荷载，将柱子视为基础梁的支座，将基础梁视为一倒置的普通多跨连续梁进行计算，求得基础控制截面的弯矩和剪力，以此验算截面强度和配置受力钢筋。经验表明，倒梁法较适合于地基比较均匀，上部结构刚度较好，荷载分布较均匀，且条形基础梁的高度大于1/6柱距的情况